SE 2050 persigue la eliminación del carbono incorporado en las estructuras de los edificios

Los ingenieros estructurales no han hecho más que empezar su búsqueda para reducir a la mitad el carbono en los nuevos sistemas estructurales para 2030 y erradicarlo para 2050.

Fuente: Engineering News-Record

Una mañana de noviembre, Chris Jeseritz, ingeniero de estructuras, se dirigía al trabajo animado por una cita de Nelson Mandela que aparecía en un cartel digital en el lateral de una torre de oficinas de Seattle: “Un ganador es un soñador que nunca se rinde”.

La cita resonó en Jeseritz. Su empresa, PCS Structural Solutions, se ha comprometido a perseguir un objetivo de sostenibilidad muy ambicioso, que incluso Jeseritz considera casi imposible pero meritorio. PCS se ha comprometido a eliminar el carbono incorporado en todos sus proyectos para 2050. “El tema de la sostenibilidad es muy importante”, afirma Jeseritz, jefe del equipo de sostenibilidad de PCS.

PCS no está sola en su quijotesca búsqueda de estructuras con cero emisiones de carbono. Es una de las 101 empresas de estructuras que, hasta la fecha, se han adherido al Programa de Compromiso 2050 de Ingenieros Estructurales (Structural Engineers 2050 Commitment Program), una iniciativa del Instituto de Ingeniería Estructural de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles.

El programa SE 2050 es una respuesta al Desafío 2050 del Carbon Leadership Forum, que establece que “todos los ingenieros de estructuras deberán comprender, reducir y, en última instancia, eliminar el carbono incorporado en sus proyectos para 2050”.

“Sabemos que es un objetivo descabellado, pero no tenemos otra opción”, afirma Mike Gryniuk, director de LeMessurier y presidente del programa SE 2050, que lleva dos años en marcha. “Si no empezamos a unir a esta comunidad y a perseguir un objetivo ambicioso, vamos a tener graves problemas sociales” en relación con el calentamiento global, afirma.

No todos creen que el reto sea imposible. Jordan Woodson, socio de Arup, firmante de SE 2050, cree que “es factible, pero requerirá la participación de algo más que los ingenieros de estructuras”.

El éxito depende de muchos factores, como la ecologización de la red eléctrica, además del apoyo de propietarios, promotores, arquitectos, contratistas, proveedores de materiales, fabricantes y constructores.

Los ingenieros estructurales no son ajenos a los obstáculos que se oponen a la proliferación de estructuras de edificios con cero emisiones de carbono. Entre ellos están la inercia del sector de la construcción, la resistencia al cambio, el miedo a asumir riesgos y la fragmentación. “Estamos derribando los silos de un sector tradicionalmente segmentado y construyendo una tienda en torno a la sostenibilidad”, afirma Luke Lombardi, consultor principal de sostenibilidad de la empresa firmante, Buro Happold.

Uno de los problemas es que “suele haber una percepción errónea de lo que significa la construcción con bajas emisiones de carbono”, afirma Donald W. Davies, presidente de Magnusson Klemencic Associates (MKA), firmante de SE 2050. “Muchos piensan que es más cara y lleva más tiempo”, lo cual no siempre es así, añade.

El objetivo provisional de SE 2050 es reducir a la mitad el contenido de carbono para 2030. Algunos signatarios ya están reduciendo su huella de carbono entre un 10% y un 20%, o más. En el Centro de Computación y Ciencias de la Información de la Universidad de Boston que LeMessurier acaba de terminar, las reducciones de los componentes individuales de hormigón varían entre el 15% y el 35%, con reducciones del contenido de cemento portland entre el 40% y el 70%, dice Gryniuk.

Con todo, las cifras de LeMessurier son una excepción. La comunidad del diseño estructural en su conjunto aún tiene que hacer mella en el carbono estructural incorporado, que, según Gryniuk, representa alrededor del 40% del carbono total incorporado en un edificio.

“Como profesión, aún estamos en la fase de ‘entender'” la reducción del carbono incorporado, dice Jeseritz.

“Tenemos que educar a todo un sector al que nunca se le ha enseñado esto en la escuela”, añade Davies. “Y tenemos que crear normas para operar desde una plataforma común”.

Hasta hace poco, el carbono operativo -los gases de efecto invernadero (GEI) emitidos durante el funcionamiento de los edificios- era el centro de atención del movimiento de construcción ecológica. Los ingenieros de estructuras se sentían excluidos.

Ahora ya no. Los firmantes de SE 2050 -muchos competidores directos- ven una oportunidad de oro para que la profesión tome la iniciativa en materia de estructuras sostenibles. Para ello, están trabajando juntos en varios frentes, promoviendo la misión de SE 2050 “para transformar la práctica de la ingeniería estructural de una manera que sea holística, en toda la empresa, basada en proyectos y orientada a los datos”. Y lo hacen como voluntarios.

El carbono incorporado se define como las emisiones de GEI -principalmente dióxido de carbono- derivadas de la extracción, fabricación, transporte, instalación, mantenimiento y eliminación de materiales y productos de construcción, expresadas como potencial de calentamiento global.

El potencial de calentamiento global se determina mediante una evaluación del ciclo de vida de todo el edificio, que es una forma sistemática de recopilar y analizar todas las entradas, salidas y posibles impactos ambientales de un edificio. Los ACV de productos o materiales producen “etiquetas de ingredientes”, denominadas declaraciones ambientales de producto (DAP), que enumeran los PCA.

Cuanto mayor sea el número, mayor será el PCA. Por ejemplo, en 2021, según la Asociación de Cemento Portland, el potencial de calentamiento global a 100 años del cemento intensivo en carbono era de 922 kg COe, lo que significa CO más gases equivalentes o similares. En 2016, era de 1.040 kg COe.

El movimiento está cobrando impulso

Las leyes recientes y los incentivos políticos en todos los niveles de gobierno, como la aprobación el 15 de diciembre en la legislatura de Nueva Jersey de un proyecto de ley, el primero de su tipo, que proporciona un crédito fiscal para el uso de hormigón bajo en carbono, están impulsando el movimiento. También lo está haciendo un importante aumento de la financiación federal para abordar el carbono incorporado y apoyar el desarrollo de EPD. Y hay programas federales en marcha. Por ejemplo, la iniciativa HESTIA (Harnessing Emissions into Structures Taking Inputs from the Atmosphere) del Departamento de Energía ha financiado 18 proyectos que desarrollan tecnologías para secuestrar carbono en las estructuras.

Hay nuevas tecnologías y productos que reducen el carbono incorporado en los materiales, sobre todo en el hormigón, que es la fruta madura de la reducción de carbono debido al CO liberado durante la producción de cemento. Algunos cementos más limpios, entre ellos el cemento calcáreo de arcilla calcinada y el cemento calcáreo portland, son muy prometedores para aumentar la ecologización del hormigón, dicen los especialistas en hormigón.

Los ingenieros de estructuras cuentan con el apoyo de SE 2050 y del Foro de Liderazgo del Carbono, que lleva 13 años funcionando y publicó el Desafío 2050 en 2019. NEU, el Centro de Excelencia para el Hormigón Neutro en Carbono del Instituto Americano del Hormigón, y la iniciativa de sostenibilidad de la Asociación del Consejo Nacional de Ingenieros Estructurales pueden ser los más recientes.

El NCSEA formó un comité de diseño sostenible hace unos tres años para ayudar a los SEA estatales que quisieran formar comités de diseño sostenible. La idea es “aprovechar todo el gran trabajo realizado a nivel nacional y trasladarlo a los ingenieros que ejercen a nivel local”, dice Kelly Roberts, directora de Walter P Moore (WPM), firmante de SE 2050, y presidenta fundadora del comité de la NCSEA.

La National Ready Mixed Concrete Association, el American Institute of Steel Construction y otros grupos centrados en los materiales ofrecen seminarios web y orientación. Y el sistema de certificación LEED del U.S. Green Building Council ofrece ahora créditos para la reducción de carbono.

Algunos propietarios y promotores influyentes -entre ellos, la Administración de Servicios Generales de EE. UU., Hines, Lendlease Americas, Skanska USA Commercial Development, Google, Microsoft, Amazon y varios propietarios institucionales- están impulsando la reducción de carbono. En 2022, Hines publicó una guía gratuita sobre la reducción del carbono incorporado, elaborada con MKA.

Las estructuras bajas en carbono están cambiando la dinámica de los equipos de construcción. “Incorporamos al ingeniero estructural durante el diseño conceptual porque la reducción de carbono es una tela entretejida”, dice Natalie Wheating, responsable de sostenibilidad de la unidad de desarrollo de Lendlease Americas. “Si tiras de una cuerda, repercute en otros elementos”, incluso en los sistemas mecánicos, añade.

Según Mark D. Webster, ingeniero consultor sénior de Simpson Gumpertz & Heger, firmante de SE 2050, puede ser beneficioso organizar una reunión de diseño al inicio del proyecto para debatir y clasificar las distintas opciones estructurales y su impacto directo e indirecto en las emisiones de carbono.

SGH aconseja realizar una evaluación del ciclo de vida de todo el edificio -lo que supone un coste añadido- para comprobar las hipótesis que el equipo hace durante la charrette.

Odeh Engineers, miembro de SE 2050, ha adaptado un método de toma de decisiones utilizado en la construcción Lean, denominado “elección por ventajas”, para examinar sus opciones de reducción de carbono.

Para un edificio residencial de mediana altura en la zona de Boston, Odeh ha desarrollado recientemente cuatro esquemas estructurales no utilizados tradicionalmente en Nueva Inglaterra, cada uno con un nivel distinto de reducción de carbono: una estructura totalmente de madera maciza, con pilares y vigas de madera laminada encolada y suelos de madera contralaminada; una estructura híbrida de acero con suelos de madera contralaminada; una estructura de acero con una losa compuesta de acero y hormigón sobre cubierta; y una estructura de hormigón armado moldeado in situ.

“Tuvimos que describir los sistemas de construcción en su totalidad, incluido el impacto en la arquitectura y los sistemas MEP, para captar adecuadamente las ventajas de cada opción”, dice David J. Odeh, director de la empresa, que ahora forma parte de WSP.

Odeh invitó al equipo de diseño, al probable director de obra y al promotor a reunirse durante el diseño conceptual y realizar el ejercicio de elección por ventajas, que, entre otras cosas, implica comparar la constructibilidad, el coste y la disponibilidad local de materiales.

Los ingenieros de estructuras suelen estar de acuerdo en que el primer paso para reducir las emisiones de carbono es optimizar el sistema estructural -creando la disposición de pilares más eficiente- y minimizar el tamaño de los elementos y la cantidad de material.

“La optimización del diseño mueve la aguja tanto o más que las especificaciones de los materiales”, afirma Benton Johnson, director de Skidmore Owings & Merrill, signatario de SE 2050.

Davies, de MKA, aconseja a los ingenieros “simplificar las rutas de carga, utilizar los materiales donde sean más eficientes y eliminar los residuos del sistema”.

La optimización de materiales es el siguiente paso. La producción de acero en Estados Unidos, donde la mayoría de las formas estructurales se fabrican con un 90% o más de material reciclado mediante hornos de arco eléctrico, es lo más sostenible que puede ser hasta que las acerías se pasen a la energía renovable. “El acero es un problema más sencillo que el hormigón”, afirma Scott Schneider, codirector del departamento de ingeniería estructural de Thornton Tomasetti, signataria de SE 2050.

Otros están de acuerdo. “La forma más eficaz de reducir el carbono incorporado a un proyecto es reducir el volumen de material de un forjado”, afirma Richard Garlock, socio de LERA Consulting Structural Engineers.

Para los elementos de hormigón, los ingenieros recomiendan especificar cementos mixtos, exigir el uso de materiales cementosos suplementarios y aumentar el tiempo necesario para alcanzar la resistencia requerida, siempre que sea posible, como en los cimientos. Cualquier reducción del cemento portland del hormigón es “útil”, aunque no se intente cuantificar, dice Dirk Kestner, director de diseño sostenible de WPM.

Los ingenieros pueden adaptar los tiempos de curado y la resistencia de las mezclas a cada forjado, en lugar de la típica especificación única para todos los suelos. Las maquetas de los contratistas durante el diseño pueden ayudar a examinar nuevos productos, coinciden los ingenieros, ya que las mezclas con poco cemento pueden causar problemas de colocación, acabado y curado.

Las losas postensadas ahorran carbono

LERA ha estado estudiando los forjados postensados combinados con una tecnología de cubierta plana poco utilizada, denominada sistema de forjado biaxial con huecos, que se basa en moldes de burbujas de plástico permanentes para crear huecos en la cubierta. Las investigaciones de LERA demuestran que, para luces de entre 7 y 10 metros, el sistema PT ahorra aproximadamente el 30% del carbono de una estructura convencional de placas planas de hormigón. LERA también descubrió que la introducción de tendones ortogonales de TP con losas huecas ahorra entre un 40% y un 45% del carbono incorporado. La PT diagonal con huecos ahorra más del 55%.

El Centro Rob & Melani Walton para la Salud Planetaria de la Universidad Estatal de Arizona, terminado en 2021, utilizó losas aligeradas por primera vez en Arizona. Buro Happold introdujo la idea en aproximadamente el 50% de los suelos. La empresa también redactó una especificación de rendimiento para una reducción del 40% en cemento portland que McCarthy Building Cos, que autoejecutaba los trabajos de hormigón, decidió cumplir utilizando una sustitución del 40% de cenizas volantes, en lugar del 20%. El doble ataque redujo el hormigón en 1.300 yardas cúbicas y el carbono en un 40% con respecto al diseño inicial.

La elección conllevaba riesgos y retos, que McCarthy superó. Las mezclas con alto contenido en cenizas volantes son más pegajosas, lo que puede afectar a su bombeabilidad. Además, la mano de obra local no tenía experiencia con losas anuladas, que requieren pasos adicionales.

Las especificaciones orientadas al rendimiento son cada vez más populares para la reducción de carbono. Las especificaciones incluyen un objetivo de reducción y, a veces, solicitan a los subcontratistas que presenten EPD durante el proyecto. Los competidores de proyectos de reducción de carbono suelen competir por el trabajo basándose en cuatro parámetros de rendimiento: calidad, coste, calendario y reducción de carbono, dicen los ingenieros.

No siempre es así de fluido. En la Torre Salesforce de Chicago, que abrirá sus puertas en 2023, MKA redactó unas especificaciones orientadas al rendimiento y pidió EPD concretas. El contratista se opuso de inmediato y dijo que la solicitud de EPD costaría 300.000 dólares y añadiría seis meses al calendario, explica Davies.

MKA perseveró educando al equipo, añade. Resultó que la estrategia de EPD no añadía nada al coste ni al plazo, dice Davies, porque la petición creó una sana competencia entre los subcontratistas que se disputaban el trabajo.

No todos los proveedores tienen EPD

Otro inconveniente es que en muchas ciudades -salvo Seattle, San Francisco, Los Ángeles y Chicago- no todos los proveedores tienen EPD. Houston no las tenía hasta el proyecto 1550 on the Green, de 28 plantas, que empezará a construirse en enero.

“Exigimos EPD” para las mezclas de hormigón, dice Kestner. Por eso, Cemex, el proveedor de premezclado del 1550, tiene EPD para sus otros proyectos en Houston, añade.

Para el proyecto 1550, desarrollado por Skanska Commercial Development, WPM -en estrecha colaboración con el contratista Skanska USA Building Cos- redujo el espesor de la losa del sistema de encofrado deslizante en 3/8 pulgadas. Esto supuso un ahorro de aproximadamente 700 pies cúbicos de hormigón en todo el proyecto, afirma Kestner, lo que significa unos 70 camiones menos de hormigón.

Kestner afirma que el edificio 1550 registra actualmente una reducción del 10% del carbono incorporado, el umbral para conseguir tres puntos en el crédito de reducción del impacto del ciclo de vida del edificio de LEED.

La reducción del carbono estructural puede parecer abrumadora. Davies aconseja a los principiantes: “No se puede gestionar lo que no se mide, así que hay que empezar por ahí. La matemática sencilla: cantidades x GWP/material = GWP del proyecto”.

Webster, de SGH, aconseja a los recién llegados que visiten el sitio web de SE 2050 para obtener orientación gratuita y utilizar su herramienta digital de cálculo del carbono incorporado, ECOM, que significa Embodied Carbon Order of Magnitude (orden de magnitud del carbono incorporado). El ingeniero sólo tiene que calcular las cantidades de material e introducirlas en la herramienta. “Es muy fácil de usar”, afirma.

Otra herramienta digital gratuita, lanzada en 2019, es la calculadora de carbono incorporado en la construcción de EC3-Building Transparency.

Para los ingenieros que se sientan intimidados por todo el proceso, Kestner propone seis pasos “sencillos” para reducir las emisiones de carbono:

1) Determinar la lista de materiales; 2) Introducir las cantidades en ECOM; 3) Identificar los puntos conflictivos con más carbono incorporado; 4) Revisar el diseño para determinar las oportunidades de reducción de los materiales conflictivos; 5) Revisar las especificaciones y la cadena de suministro de materiales prevista hablando con los posibles proveedores, preguntándoles si tienen EPD específicas del producto o si tienen opciones con menos carbono incorporado; 6) Actualizar el diseño e iterar.

Cary Kopczynski, director general de la ingeniería firmante de SE 2050 que lleva su nombre, compara el Desafío SE 2050 con el compromiso del presidente John F. Kennedy, a principios de los años 60, de que Estados Unidos viajara seguro a la luna y volviera a finales de esa década. “El sector aeroespacial estuvo a la altura de las circunstancias y superó el reto”, afirma Kopczynski.

Webster añade: “Aunque no cumplamos el Reto 2050, tenemos que esforzarnos al máximo, porque cada reducción marcará la diferencia”.

“Lo mejor es mantenerse positivo y optimista, incluso ante obstáculos de enormes proporciones”, afirma. En cuanto al cambio climático, “la acción es el mejor antídoto contra la desesperación”.